JP2022083615A - Combustion chamber structure for engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ペントルーフ型の天井面を有する燃焼室を備えたエンジンの燃焼室構造に関する。 The present invention relates to a combustion chamber structure of an engine having a combustion chamber having a pent-roof type ceiling surface.
熱効率の改善、燃費性能の向上等の目的で、エンジンの燃焼室の構造、とりわけピストンの構造について日々研究がなされている。例えば特許文献1には、ペントルーフ型の天井面を備えた燃焼室において、ピストン冠面にキャビティと、前記天井面の形状に沿った傾斜面とを具備させる構造が開示されている。この燃焼室構造によれば、タンブル流の減速を抑制して燃焼を促進し、燃費性能が向上する。
Daily research is being conducted on the structure of the combustion chamber of an engine, especially the structure of a piston, for the purpose of improving thermal efficiency and fuel efficiency. For example,
燃費性能の向上に端的に有効な手段は、圧縮比を高く設定することである。しかし、高圧縮比とすると、例えば低回転高負荷の運転領域で圧縮端の燃焼室内圧力及び温度が過度に上昇し、異常燃焼を誘発する。この異常燃焼は、火炎伝播燃焼の完了前における未燃の燃料ガスの急峻な自己着火に基づくものであり、これによりノッキングが発生する。 A simple and effective means for improving fuel efficiency is to set a high compression ratio. However, when the compression ratio is set to high, for example, in the operating region of low rotation and high load, the combustion chamber pressure and temperature at the compression end rise excessively, inducing abnormal combustion. This abnormal combustion is based on the steep self-ignition of unburned fuel gas before the completion of flame propagation combustion, which causes knocking.
従来、上述したノッキングの発生の防止のため、エンジン出力をあえて抑制する手段が取られている。具体的には、燃焼室への燃料噴射時期や混合気への点火タイミングを工夫して燃焼重心を遅角させ、エンジン出力を抑制している。このような手段はエンジンの高出力化を阻むため、なるべく回避したいところである。特許文献1に開示された燃焼室の構造的工夫も燃費性能の向上に寄与し得るが、本発明者らのさらなる研究によれば、タンブル流を圧縮行程後半まで維持させるという観点では十分ではないことが判明した。
Conventionally, in order to prevent the above-mentioned knocking from occurring, measures have been taken to intentionally suppress the engine output. Specifically, the fuel injection timing to the combustion chamber and the ignition timing to the air-fuel mixture are devised to retard the combustion center of gravity and suppress the engine output. Since such means prevent the engine from increasing in output, we would like to avoid it as much as possible. The structural ingenuity of the combustion chamber disclosed in
本発明の目的は、ノッキングを抑制しつつエンジン出力を向上させることができるエンジンの燃焼室構造を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a combustion chamber structure of an engine capable of improving engine output while suppressing knocking.
本発明の一局面に係るエンジンの燃焼室構造は、ピストンの冠面と、前記ピストンが摺動可能に収容されるシリンダの内壁面と、シリンダヘッドに形成されたペントルーフ型の天井面とによって区画される燃焼室を備えたエンジンの燃焼室構造であって、前記天井面には、前記燃焼室に吸気を供給する二つの吸気ポートの開口と、前記燃焼室から排気を排出する二つの排気ポートの開口とが形成され、前記吸気ポートが配設される側を吸気側、前記排気ポートが配設される側を排気側とするとき、前記冠面は、当該冠面の前記排気側の端縁付近に配置された排気側底部、及び前記吸気側の端縁付近に配置された吸気側底部と、前記排気側底部から前記冠面の中央部に向けて上昇する傾斜面であって、前記二つの排気ポートに各々配設される排気弁との干渉を避ける一対のリセス部を備えた排気側傾斜面と、前記吸気側底部から前記冠面の中央部に向けて上昇する吸気側傾斜面と、前記排気側傾斜面の上端と前記吸気側傾斜面の上端との間に連続的に設けられ、前記冠面の中央部において前記シリンダの軸方向と直交する方向に延びる第1平面と、前記排気側傾斜面の前記一対のリセス部間に配置され、前記第1平面と同一平面内で連続する第2平面と、を備えることを特徴とする。 The combustion chamber structure of the engine according to one aspect of the present invention is partitioned by a crown surface of a piston, an inner wall surface of a cylinder in which the piston is slidably accommodated, and a pent roof type ceiling surface formed on a cylinder head. It is a combustion chamber structure of an engine provided with a combustion chamber, and on the ceiling surface, an opening of two intake ports for supplying intake air to the combustion chamber and two exhaust ports for discharging exhaust from the combustion chamber. When the side on which the intake port is arranged is the intake side and the side on which the exhaust port is arranged is the exhaust side, the crown surface is the end of the crown surface on the exhaust side. An exhaust side bottom portion arranged near the edge, an intake side bottom portion arranged near the intake side end edge, and an inclined surface rising from the exhaust side bottom portion toward the central portion of the crown surface. An exhaust-side inclined surface having a pair of recesses for avoiding interference with exhaust valves arranged in each of the two exhaust ports, and an intake-side inclined surface that rises from the intake-side bottom to the center of the crown surface. A first plane that is continuously provided between the upper end of the exhaust side inclined surface and the upper end of the intake side inclined surface and extends in a direction orthogonal to the axial direction of the cylinder at the central portion of the crown surface. It is characterized by having a second plane which is arranged between the pair of recess portions of the exhaust side inclined surface and which is continuous in the same plane as the first plane.
この燃焼室構造によれば、ペントルーフ型の天井面に吸気ポートが形成されるので、タンブル流が形成される燃焼室となる。ピストン冠面は、排気側傾斜面及び吸気側傾斜面によって凸状に隆起し、その中央部には連続的な平面が形成される。なお、「連続的な平面」とは、キャビティ等の窪みが存在しない平面の意である。 According to this combustion chamber structure, since the intake port is formed on the ceiling surface of the pent-roof type, it becomes a combustion chamber in which a tumble flow is formed. The crown surface of the piston is raised in a convex shape by the inclined surface on the exhaust side and the inclined surface on the intake side, and a continuous flat surface is formed in the central portion thereof. The "continuous plane" means a plane in which there are no dents such as cavities.
連続的な第1平面を形成することで、タンブル流をキャビティ等の窪みで阻害することなく、当該第1平面に沿って流すことができる。さらに、排気側傾斜面の一対のリセス部間には第2平面が配置されているので、当該第2平面にてタンブル流をガイドすることができる。このため、一対のリセス部間において前記排気側傾斜面と前記第1平面との境界部分にタンブル流が衝突して弱体化することを抑制できる。これらの構造的工夫により、タンブル流に対するピストン冠面の抵抗を小さくし、タンブル流を圧縮行程後半まで維持させることができる。タンブル流が崩壊する際には、乱流エネルギーが生成される。タンブル流を維持することは、タンブル流が保有する前記乱流エネルギーを高い状態で維持することに繋がる。従って、タンブル流を圧縮行程後半で崩壊させ、高い乱流エネルギーを生成させることで、燃焼速度を速めることが可能となる。これにより、ノッキングの要因となる自己着火の発生前に燃焼を完了させることができる。そして、ノッキングを抑制できることから、燃焼重心を遅角する等のエンジン出力をあえて抑制する制御を回避できる。また、その結果として高圧縮比が達成可能となる。 By forming a continuous first plane, the tumble flow can flow along the first plane without being obstructed by a depression such as a cavity. Further, since the second plane is arranged between the pair of recess portions on the exhaust side inclined surface, the tumble flow can be guided by the second plane. Therefore, it is possible to prevent the tumble flow from colliding with the boundary portion between the exhaust side inclined surface and the first plane between the pair of recess portions and being weakened. By these structural measures, the resistance of the piston crown surface to the tumble flow can be reduced, and the tumble flow can be maintained until the latter half of the compression stroke. When the tumble flow collapses, turbulent energy is generated. Maintaining the tumble flow leads to maintaining the turbulent energy possessed by the tumble flow in a high state. Therefore, it is possible to increase the combustion speed by collapsing the tumble flow in the latter half of the compression stroke and generating high turbulent energy. As a result, combustion can be completed before the occurrence of self-ignition, which causes knocking. Further, since knocking can be suppressed, it is possible to avoid control that intentionally suppresses engine output such as retarding the center of gravity of combustion. As a result, a high compression ratio can be achieved.
上記の燃焼室構造において、前記吸気側から前記排気側へ向かう方向を第1方向とするとき、前記第2平面は、前記第1平面の前記排気側の側辺から前記第1方向に延び出すように形成され、前記第2平面の延び出し長さは、前記冠面の上面視で、前記リセス部の前記第1方向の幅の少なくとも1/4以上の長さに設定されていることが望ましい。 In the combustion chamber structure, when the direction from the intake side to the exhaust side is the first direction, the second plane extends in the first direction from the side side of the first plane on the exhaust side. The extension length of the second plane is set to be at least 1/4 or more of the width of the recess portion in the first direction in the top view of the crown surface. desirable.
この燃焼室構造によれば、第2平面は、一対のリセス部間において相応の長さで排気側に延び出す平面となる。従って、前記第2平面によって、よりタンブル流を排気側から吸気側へ案内し易くすることができる。 According to this combustion chamber structure, the second plane is a plane extending to the exhaust side with an appropriate length between the pair of recess portions. Therefore, the second plane makes it easier to guide the tumble flow from the exhaust side to the intake side.
上記の燃焼室構造において、前記第1平面に対向する前記天井面には、前記燃焼室内において火炎伝播燃焼を実現させる点火部が配置されていることが望ましい。 In the above combustion chamber structure, it is desirable that an ignition portion for realizing flame propagation combustion in the combustion chamber is arranged on the ceiling surface facing the first plane.
タンブル流が弱体化されることなく圧縮された吸気は、前記第1平面に対向する位置において前記乱流エネルギーが高い状態となる。このような位置に点火部が配置されることで、火炎伝播燃焼の燃焼速度を速めることができる。 The intake air compressed without weakening the tumble flow is in a state where the turbulent energy is high at the position facing the first plane. By arranging the ignition unit at such a position, the combustion speed of flame propagation combustion can be increased.
上記の燃焼室構造において、前記燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射部が、前記燃焼室の前記吸気側に配設されていることが望ましい。 In the above combustion chamber structure, it is desirable that a fuel injection unit that injects fuel into the combustion chamber is arranged on the intake side of the combustion chamber.
この燃焼室構造によれば、燃料噴射部から噴霧された燃料をタンブル流に乗せ易くなり、均質な混合気を燃焼室内に形成させることができる。 According to this combustion chamber structure, the fuel sprayed from the fuel injection portion can be easily put on the tumble flow, and a homogeneous air-fuel mixture can be formed in the combustion chamber.
上記の燃焼室構造において、前記吸気側傾斜面は、前記二つの吸気ポートに各々配設される吸気弁との干渉を避ける一対の吸気リセス部を備え、前記吸気側傾斜面の前記一対の吸気リセス部間に配置され、前記第1平面と同一平面内で連続する第3平面をさらに備えることが望ましい。 In the above combustion chamber structure, the intake side inclined surface is provided with a pair of intake recess portions for avoiding interference with intake valves arranged in the two intake ports, respectively, and the pair of intake air on the intake side inclined surface. It is desirable to further include a third plane that is arranged between the recess portions and is continuous in the same plane as the first plane.
この燃焼室構造によれば、第3平面に沿ってタンブル流を燃焼室の上方へ案内することができる。つまり、タンブル流が吸気側傾斜面に沿って流れ、シリンダの吸気側内壁面に衝突して弱体化することを抑止できる。 According to this combustion chamber structure, the tumble flow can be guided above the combustion chamber along the third plane. That is, it is possible to prevent the tumble flow from flowing along the intake side inclined surface and colliding with the intake side inner wall surface of the cylinder to be weakened.
上記の燃焼室構造において、前記シリンダの幾何学的圧縮比が13.5以上15.5以下の範囲内に設定されていることが望ましい。これにより、燃費性能の向上を図ることができる。 In the above combustion chamber structure, it is desirable that the geometric compression ratio of the cylinder is set within the range of 13.5 or more and 15.5 or less. This makes it possible to improve fuel efficiency.
本発明によれば、ノッキングを抑制しつつエンジン出力を向上させることができるエンジンの燃焼室構造を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an engine combustion chamber structure capable of improving engine output while suppressing knocking.
[エンジンの全体構成]
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係るエンジンの燃焼室構造を詳細に説明する。図1は、本発明の実施形態に係る燃焼室構造が適用されたエンジンの概略断面図である。ここに示されるエンジンは、自動車等の車両の走行駆動用の動力源として前記車両に搭載される多気筒のガソリンエンジンである。エンジンは、エンジン本体1と、これに組付けられた図外の吸排気マニホールド及び各種ポンプ等の補機とを含む。
[Overall engine configuration]
Hereinafter, the combustion chamber structure of the engine according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an engine to which the combustion chamber structure according to the embodiment of the present invention is applied. The engine shown here is a multi-cylinder gasoline engine mounted on the vehicle as a power source for driving a vehicle such as an automobile. The engine includes an engine
エンジン本体1は、シリンダ2が内部に形成されたシリンダブロック3と、シリンダ2を上から閉塞するようにシリンダブロック3の上面に取り付けられたシリンダヘッド4と、シリンダ2内に収容されたピストン5とを有している。エンジン本体1は、典型的には複数の(例えば4つの)シリンダを有する多気筒型のものであるが、図1では簡略化のため、1つのシリンダ2のみを図示している。
The
図2は、1つのシリンダ2の模式的な斜視図を示している。ピストン5は、シリンダ2のボア径Lbに応じた外径を有する略円筒体であり、所定のストロークLsで往復摺動可能にシリンダ2内に収容されている。後記で詳述するが、ピストン5の上面である冠面50は凸状に隆起しており、山高さhの平面55が備えられている。ピストン5の下方には、エンジン本体1の出力軸であるクランク軸7が設けられている。クランク軸7は、ピストン5とコネクティングロッド8を介して連結され、ピストン5の往復運動に応じて中心軸回りに回転駆動される。
FIG. 2 shows a schematic perspective view of one
ピストン5の上方には燃焼室6が区画されている。燃焼室6には、後述するインジェクタ15からの噴射によって前記燃料が供給される。供給された燃料が燃焼室6で空気と混合されつつ燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン5が上下方向に往復運動する。燃焼室6は、シリンダ2の内壁面と、ピストン5の冠面50と、シリンダヘッド4の底面に形成された燃焼室天井面6U(吸気弁11及び排気弁12の各バルブ面を含む)とによって区画されている。燃焼室天井面6Uは、上向きに凸のペントルーフ型の形状を有する天井面である。
A
シリンダ2の幾何学的圧縮比、つまりピストン5が上死点にあるときの燃焼室6の容積とピストン5が下死点にあるときの燃焼室6の容積との比は、13.5以上の高圧縮比に設定することが望ましい。好ましい圧縮比の範囲は、13.5以上15.5以下の範囲である。このような高圧縮比に設定することで、燃費性能を向上させることができる。
The geometric compression ratio of the
ペントルーフ型の燃焼室天井面6Uには、燃焼室6に向けて開口する吸気ポート9及び排気ポート10が形成されている。吸気ポート9は、燃焼室6に吸気を供給するポートである。本実施形態の吸気ポート9は、タンブル流(縦渦)を形成可能なタンブルポートである。図2には、タンブル流Ftの流動方向が付記されている。排気ポート10は、燃焼室6から燃焼後の排気を排出するポートである。燃焼室天井面6Uには、吸気ポート9を開閉する吸気弁11と、排気ポート10を開閉する排気弁12とが設けられている。
The pent-roof type combustion
本実施形態のエンジンのバルブ形式は、図2及び図3に示すように、二つの吸気ポート及び二つの排気ポートを備えた吸気2バルブ×排気2バルブの4バルブ形式である。図3は、シリンダ2及びその近傍の吸排気系の構造を示す概略平面図である。吸気ポート9は、第1吸気ポート9A及び第2吸気ポート9Bを有する。排気ポート10は、第1排気ポート10A及び第2排気ポート10Bを有する。吸気弁11は、第1吸気ポート9A及び第2吸気ポート9Bに対しそれぞれ1つずつ配設され、排気弁12は、第1排気ポート10A及び第2排気ポート10Bに対しそれぞれ1つずつ配設されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the valve type of the engine of the present embodiment is a four-valve type of two intake valves and two exhaust valves having two intake ports and two exhaust ports. FIG. 3 is a schematic plan view showing the structure of the intake / exhaust system of the
図3に示すように、第1、第2吸気ポート9A、9Bのうち、第2吸気ポート9Bには、当該第2吸気ポート9Bを開閉可能なスワール弁17が設けられている。スワール弁17が閉方向に駆動されると、スワール弁17が設けられていない第1吸気ポート9Aから燃焼室6に流入する吸気の割合が増大する。このため、シリンダ軸AX(燃焼室6の中心軸)の回りを旋回する旋回流、つまりスワール流を強化することができる。図3には、スワール流Fsの流動方向が付記されている。逆に、スワール弁17を開方向に駆動すればスワール流Fsを弱めることができる。上述の通り、吸気ポート9はタンブルポートであため、スワール弁17の閉時に形成されるスワール流Fsは、タンブル流Ftとミックスされた斜めスワール流となる。
As shown in FIG. 3, of the first and
シリンダヘッド4には、吸気弁11を駆動する吸気側動弁機構13と、排気弁12を駆動する排気側動弁機構14とが配設されている。これら動弁機構13、14により、吸気弁11及び排気弁12がクランク軸7の回転に連動するように駆動される。この駆動により、吸気弁11のバルブヘッドが吸気ポート9の開口部を開閉し、排気弁12のバルブヘッドが排気ポート10の開口部を開閉する。動弁機構13、14には、開閉タイミングを変更する図略の可変バルブタイミング機構が組み込まれている。
The
シリンダヘッド4には、インジェクタ15(燃料噴射部)及び点火プラグ16(点火部)が組み付けられている。インジェクタ15は、図略のフューエルシステムから供給される燃料を燃焼室6に噴射する。インジェクタ15は、燃焼室天井面6Uの周縁であって、吸気ポート9が配設される吸気側に配置されている。このような配置とすれば、インジェクタ15から噴霧された燃料がタンブル流Ftに合流し、当該タンブル流Ftに乗って燃焼室6内全体に燃料が行き渡り易くなる。つまり、均質な混合気を燃焼室6内に形成させることができる。
An injector 15 (fuel injection section) and a spark plug 16 (ignition section) are assembled to the
点火プラグ16は、インジェクタ15から燃焼室6に噴射された燃料と、吸気ポート9(9A、9B)を通して燃焼室6に導入された空気とが混合された混合気に点火する。点火プラグ16は、シリンダ軸AXに沿うように、シリンダヘッド4に取り付けられている。点火プラグ16の点火電極部は、燃焼室天井面6Uの径方向中央において燃焼室6内に露出し、ピストン5の冠面50の平面55に対向している。燃焼室6の混合気に点火プラグ16から点火エネルギーが供給されると、燃焼室6では着火点を起点として火炎伝播燃焼が発生する。
The
[ピストンの詳細構造]
続いて、図4~図7を参照して、ピストン5の構造、とりわけ冠面50の構造について詳細に説明する。本実施形態では、冠面50に、上述したタンブル流Ftを圧縮上死点付近まで維持させることを可能とする形状的工夫が施されている。図4は、図1及び図2に示されたピストン5の斜視図、図5は、ピストン5の冠面50の平面図、図6は、冠面50の側面図、図7は、図5のVII-VII線断面図である。
[Detailed structure of piston]
Subsequently, with reference to FIGS. 4 to 7, the structure of the
図4~図7では、説明の明確性を担保するため、XYZの方向表示を付している。Z方向はシリンダ軸AX方向、X方向はクランク軸7の延伸方向であるエンジン本体1の前後方向、Y方向はZ方向及びX方向の双方と直交する方向に各々相当する。各図には、エンジン本体1の設置方向におけるフロント側、リア側という意味においてF側(+X)、R側(-X)、吸気ポート9が配設される側という意味において吸気側(IN側;+Y)、排気ポート10が配設される側という意味において排気側(EX側;-Y)、シリンダ軸AX上の上側、下側との意味において上(+Z)、下(-Z)との表記が付されている。
In FIGS. 4 to 7, in order to ensure the clarity of the explanation, the direction of XYZ is indicated. The Z direction corresponds to the cylinder axis AX direction, the X direction corresponds to the front-rear direction of the
ピストン5は、ピストンヘッド5Aと、ピストンヘッド5Aの下側(-Z側)に連設されたスカート部5Bとを含む。ピストンヘッド5Aは円柱体からなり、燃焼室6の壁面の一部(底面)を構成する冠面50を上面に備えると共に、シリンダ2の内壁面と摺接する側周面5Cとを備える。側周面5Cには、ピストンリングが嵌め込まれるリング溝が複数備えられている。スカート部5Bは、ピストンヘッド5Aの+Y側及び-Y側に配置され、ピストン5の往復運動の際の首振り揺動を抑制する。スカート部5BのY方向の中央には、X方向に延びるピン孔を区画するピストンボス5Dが設けられている。ピストンボス5Dには、コネクティングロッド8との連結のためのピストンピンが挿通される。
The
冠面50は、燃焼室天井面6UとZ方向に対向する略円形の面である。冠面50は、排気側底部51、吸気側底部52、排気側傾斜面53、吸気側傾斜面54、平面55(第1平面)、リセス間平面56(第2平面)、F側側壁57及びR側側壁58を含む。これらの各部のうち、排気側底部51及び吸気側底部52は、冠面50において+Z方向の高さが最も低いベース面であり、その他の各部は前記ベース面から+Z方向に山高さhだけ隆起した隆起部を構成している。
The
排気側底部51及び吸気側底部52は、シリンダ軸AXと直交するXY方向に延びる平面であり、Z方向に同じ高さ位置にある。なお、排気側底部51及び吸気側底部52は、前記XY方向に対して若干の傾きを持つ面、若しくは、僅かな凸又は凹曲面を持つ面であっても良い。排気側底部51は、冠面50のEX側(-Y)の端縁付近に配置されている。吸気側底部52は、冠面50のIN側(+Y)の端縁付近に配置されている。
The exhaust side bottom 51 and the intake side bottom 52 are planes extending in the XY direction orthogonal to the cylinder axis AX, and are at the same height position in the Z direction. The exhaust
排気側底部51は、冠面50の-Y側外周縁(側周面5C)を弧とし、X方向に延びる直線を弦とする弓形の平面である。吸気側底部52は、冠面50の+Y側外周縁を弧とし、X方向に延びる直線を弦とする弓形の平面である。排気側底部51及び吸気側底部52は、ピストン5が圧縮上死点に向かう際、スキッシュ流が形成されるスキッシュエリアである。本実施形態では、排気側底部51の表面積よりも吸気側底部52の表面積の方が広面積に設定されている。
The exhaust
排気側傾斜面53は、排気側底部51から冠面50のY方向中央部(冠面50の径方向中央部)に向けて徐々に上昇する傾斜面である。排気側傾斜面53の下端は排気側底部51の+Y端縁に連なり、上端は平面55及びリセス間平面56の-Y端縁に連なっている。排気側傾斜面53は、+X側と-X側とで一対のリセス部531と、これらリセス部531に位置するリセス間部532とを含む。リセス部531は、第1、第2排気ポート10A、10Bに配置される排気弁12との干渉を避けるための略半円型の窪みである。リセス間部532は、+Z方向の平面視(図5)で、排気側底部51へ連なる下端縁を下底、一対のリセス部531に位置するリセス間平面56へ連なる上端縁を上底とする略台形の形状を有している。リセス部531及びリセス間部532の、Y方向に対する傾斜角は同一に設定されている。なお、前記傾斜角は、若干相違していても良い。
The exhaust side inclined
吸気側傾斜面54は、吸気側底部52から冠面50のY方向中央部に向けて徐々に上昇する傾斜面である。吸気側傾斜面54の下端は吸気側底部52の-Y端縁に連なり、上端は平面55の+Y端縁に連なっている。本実施形態では、+Z方向の平面視で、吸気側傾斜面54の下端及び上端は共にX方向に直線状に延びる端縁である。吸気側傾斜面54は単純な傾斜平面が例示されているが、吸気弁11との干渉が生じる場合には、排気側のリセス部531と同様なリセス部が設けられる(後述の図15に例示している)。
The intake side inclined
平面55(第1平面)は、冠面50のY方向中央部においてシリンダ軸AXと直交するXY方向に延びる平面である。平面55は、排気側傾斜面53の上端と吸気側傾斜面54の上端との間に連続的に設けられた平面である。なお、「連続的な平面」とは、キャビティ等の窪みが存在しない平面の意である。また、平面55は、タンブル流Ftの流動を実質的に阻害しない範囲において、XY方向に対して僅かな傾きを持つ面、若しくは、僅かな凸又は凹曲面を持つ面であっても良い。
The plane 55 (first plane) is a plane extending in the XY direction orthogonal to the cylinder axis AX at the central portion of the
より詳しくは、平面55は、+Z方向の平面視でX方向に長い略矩形の形状を有している。平面55は、-Y側の側辺として第1EX端縁551及び第2EX端縁552を、+Y側の側辺としてIN端縁553を有している。第1EX端縁551は、+X側のリセス部531の上端に繋がっている。第2EX端縁552は、-X側のリセス部531の上端に繋がっている。IN端縁553は、吸気側傾斜面54の上端に繋がっている。平面55の+X側及び-X側の側辺は、側周面5Cの円周に沿った円弧状の形状を有している。
More specifically, the
リセス間平面56(第2平面)は、排気側傾斜面53の一対のリセス部531間に配置された平面である。リセス間平面56も、XY方向に延びる平面であり、平面55と同一平面内に存在する平面、つまり平面55と同じZ方向高さに位置する平面である。リセス間平面56は、平面55に連続した平面である。なお、平面55及びリセス間平面56は、冠面50における前記隆起部の頂面を形成しており、+Z方向の高さが最も高い面である。
The recess-to-recess plane 56 (second plane) is a plane arranged between the pair of
リセス間平面56は、平面55の-Y側の側辺のX方向中央部から-Y側に延び出すように、換言すると、第1EX端縁551と第2EX端縁552との間から-Y側に延び出すように形成されている。リセス間平面56のEX端縁561は、吸気側傾斜面54のリセス間部532の上端に繋がっている。リセス間平面56は、一対のリセス部531間の上端付近に挟まれるように位置しており、+Z方向の平面視で概ね正方形の形状を有している。
The recess-to-
図5を参照して、リセス間平面56の延び出し長さについて説明を加える。リセス間平面56は、平面55の-Y側(排気側)の側辺から-Y方向(吸気側から排気側へ向かう第1方向)に延び出すように形成されている。図5では、リセス間平面56の延び出し長さをd1で示している。また、一対のリセス部531のY方向の幅をd2で示している。d2は、冠面50の上面視において、EX端縁551、552とリセス部531の最も-Y側の周縁との間の距離である。上記のd1、d2の関係について、リセス間平面56が燃焼室天井面6Uと干渉しない限りにおいて、d1はd2の1/4以上の長さに設定されることが望ましい。この場合、リセス間平面56は、一対のリセス部531間において相応の長さで平面55から排気側に延び出す平面となる。従って、リセス間平面56によって、よりタンブル流を排気側から吸気側へ案内し易くすることができる。
With reference to FIG. 5, the extension length of the
[ピストン冠面の特徴]
図8は、ピストン5の冠面50に関連する各種パラメータを示す図である。図中には、山高さh、平面55の横幅Lie及び前後幅Lfr、排気側傾斜面角度Exd、平面55及びリセス間平面56の表面積S1、排気側傾斜面53の表面積S2及び吸気側傾斜面54の表面積S3が示されている。
[Characteristics of piston crown surface]
FIG. 8 is a diagram showing various parameters related to the
山高さhは、冠面50における前記ベース面である排気側底部51又は吸気側底部52から、前記頂面である平面55及びリセス間平面56までのZ方向高さである。横幅Lieは、平面55のY方向幅(吸気側と排気側とが向かい合う方向)である。前後幅Lfrは、平面55のX方向幅である。なお、平面55の+X側及び-X側の側辺は円弧辺である。前後幅Lfrは、これら円弧辺が最も+X側又は-X側に延び出している部分間のX方向幅である。排気側傾斜面角度Exdは、Y方向に対する排気側傾斜面53の傾斜角である。本実施形態では、平面55はY方向に沿う水平面であるので、傾斜面角度Exdは平面55と排気側傾斜面53とがなす角である。
The mountain height h is the height in the Z direction from the exhaust
表面積S1は、平面55の表面積と、リセス間平面56の表面積とを合算した表面積である。平面55の表面積は、当該平面55を区画する+X側及び-X側の側辺と、+Y側及び-Y側の側辺とで囲まれる部分の面積であり、概ね横幅Lieと前後幅Lfrとの乗算で算出される面積である。リセス間平面56は、平面55から-Y方向に延び出している部分の表面積である。リセス間平面56が平面55に付設されることで、表面積S1をより大きくすることができている。
The surface area S1 is the total surface area of the surface area of the
排気側傾斜面53の表面積S2は、一対のリセス部531の表面積と、リセス間部532の表面積とを合算した面積である。なお、リセス部531とリセス間部532との間に存在する段差部53Aは、表面積S2に含まれない。段差部53Aはタンブル流Ftの流動に実質的に影響を与えないからである。また、リセス間部532は、リセス部531間だけでなく、リセス部531の下方にまで延在するリセス下部533(後出の実施例3他で明示している)を備える場合があるが、この場合の表面積S2はリセス下部533の表面積も含む。
The surface area S2 of the exhaust side inclined
吸気側傾斜面54の表面積S3は、図8の例では、単純に吸気側傾斜面54を構成する傾斜平面の面積である。吸気弁11との干渉を回避するリセス部が吸気側傾斜面54にも形成されている場合(図15の例)は、そのリセス部の表面積と、そのリセス間部の表面積とを合算した面積となる。
In the example of FIG. 8, the surface area S3 of the intake side inclined
本実施形態では、タンブル流Ftに対するピストン5の冠面50の抵抗を小さくし、タンブル流Ftを圧縮行程後半まで維持させるために、上記の表面積S1、S2、S3が次の特徴(1)~(3)を具備するように設定される。
(1)平面55とリセス間平面56とを合算した表面積S1は、排気側傾斜面53の表面積S2よりも大きい。
(2)好ましくは、表面積S1は、吸気側傾斜面54の表面積S3よりも大きい。
(3)より好ましくは、表面積S1は、排気側傾斜面53の表面積S2と吸気側傾斜面54の表面積S3との総和よりも大きい。
In the present embodiment, in order to reduce the resistance of the
(1) The surface area S1 obtained by adding the
(2) Preferably, the surface area S1 is larger than the surface area S3 of the intake side inclined
(3) More preferably, the surface area S1 is larger than the sum of the surface area S2 of the exhaust side inclined
[冠面の特徴部の意義]
図9及び図10を参照して、上記特徴(1)~(3)の意義を説明する。図9(A)は、特徴(1)~(3)を満たすピストン5の冠面50で、燃焼室6の底面が形成されている場合のタンブル流Ftの流動を示す模式図である。ペントルーフ型の燃焼室天井面6Uに配置された吸気ポート9(タンブルポート)から燃焼室6に導入される吸気は、タンブル流Ftを形成する。冠面50には、「連続的な平面」である平面55(第1平面)及びリセス間平面56(第2平面)が形成されているので、タンブル流Ftをキャビティ等の窪みで阻害することなく、当該平面55に沿って流すことができる。また、表面積S1~S3相互の関係が、上記特徴(1)~(3)の通りに設定されているので、タンブル流Ftの流動は排気側傾斜面53及び吸気側傾斜面54の存在によって弱体化することはない。
[Significance of the characteristic part of the crown surface]
The significance of the above features (1) to (3) will be described with reference to FIGS. 9 and 10. FIG. 9A is a schematic view showing the flow of the tumble flow Ft when the
上記の冠面50の構造的工夫により、タンブル流Ftに対する冠面50の抵抗が小さくなり、タンブル流Ftは燃焼室6内でその流動を継続し易くなる。つまり、タンブル流Ftが排気側傾斜面53やシリンダ2の内壁などに衝突して消失する割合を減らして、当該タンブル流Ftを圧縮行程後半まで維持させ易くすることができる。タンブル流Ftが崩壊する際には、乱流エネルギーが生成される。タンブル流Ftを維持することは、タンブル流Ftが本来的に保有する前記乱流エネルギーを、前記衝突によるロスなく高い状態で維持することに繋がる。従って、タンブル流Ftを圧縮行程後半で崩壊させ、高い乱流エネルギーを生成させることで、燃焼室6の混合気の燃焼速度を速めることが可能となる。
Due to the structural ingenuity of the
燃焼室6では、点火プラグ16の点火動作を起点として、混合気の火炎伝播燃焼が生じる。ここで、シリンダ2を高圧縮比に設定したような場合、ピストン5の圧縮端において燃焼室6内の圧力及び温度が過度に上昇し、異常燃焼を誘発する。前記異常燃焼は、火炎伝播燃焼の完了前における未燃の燃料ガスの急峻な自己着火であり、ノッキングを発生させる。しかし、タンブル流Ftを圧縮行程後半まで維持させ、燃焼速度を速めることで、ノッキングの要因となる自己着火の発生前に燃焼を完了させることができる。そして、ノッキングを抑制できることから、エンジン出力をあえて抑制するような制御、例えばインジェクタ15の燃料噴射タイミングを制御して燃焼重心を遅角する等の制御を回避することができる。また、その結果としてシリンダ2の高圧縮比化が達成でき、燃費性能を向上させることが可能となる。
In the
続いて、上記特徴(1)~(3)を満たさない比較例について説明する。図9(B)は、上記特徴(1)を満たさない冠面50が採用された場合の、燃焼室6におけるタンブル流Ftの流動を模式的に示す図である。タンブル流Ftは、IN側から燃焼室6内に入り、EX側のシリンダ2の内壁でターンし、冠面50に沿ってIN側に向かう流動である。上記特徴(1)を満たさない場合、つまり、平面55とリセス間平面56との合算表面積S1よりも排気側傾斜面53の表面積S2が大きい場合、排気側傾斜面53にタンブル流Ftが衝突し易くなり、圧縮行程後半まで維持されるタンブル流Ftの割合が低下する。すなわち、図9(B)に示すように、一部のタンブル流Ft1は、平面55にガイドされるようにEX側からIN側に向かうが、他の一部のタンブル流Ft2は、前記ターンの後に排気側傾斜面53に衝突して崩壊するからである。特徴(1)の通り、表面積S1を排気側傾斜面53の表面積S2よりも大きく設定することで、排気側傾斜面53に衝突して消失するタンブル流Ftを減少させることができる。
Subsequently, a comparative example that does not satisfy the above features (1) to (3) will be described. FIG. 9B is a diagram schematically showing the flow of the tumble flow Ft in the
図10(A)は、上記特徴(2)を満たさない場合の、燃焼室6におけるタンブル流Ftの流動を模式的に示す図である。上記特徴(2)を満たさない場合、つまり、表面積S1よりも吸気側傾斜面54の表面積S3が大きい場合、当該吸気側傾斜面54に沿った派生流動Ft3の流れが形成され易くなる。派生流動Ft3は、本流動であるタンブル流Ftの経路から外れる流動であり、吸気側傾斜面54にガイドされてシリンダ2のIN側内壁面に向かう流動となる。やがて派生流動Ft3は、シリンダ2の内壁面に衝突し、消失する。従って、派生流動Ft3はタンブル流Ftのロスとなり、圧縮行程後半まで維持されるタンブル流Ftを減少させてしまう。特徴(2)の通り、平面55及びリセス間平面56の表面積S1を吸気側傾斜面54の表面積S3よりも大きく設定することで、吸気側傾斜面54に沿ってシリンダ2の内壁に向かう派生流動Ft3を抑制することができる。
FIG. 10A is a diagram schematically showing the flow of the tumble flow Ft in the
少なくとも上記特徴(1)を満たすことで、タンブル流Ftの維持性を高めることができる。これに加え、特徴(2)を満たすことで、よりタンブル流Ftの維持性を向上し得る。さらに、特徴(1)及び(2)を満たした上で、特徴(3)の通り、平面55及びリセス間平面56の合算表面積S1を、排気側傾斜面53の表面積S2と吸気側傾斜面54の表面積S3との総和よりも大きく設定することが望ましい。これにより、図9(B)に示した、タンブル流Ftの排気側傾斜面53への衝突、図10(A)示した、タンブル流Ftが吸気側傾斜面54にガイドされることによるシリンダ2のIN側内壁への衝突を一層抑制でき、タンブル流Ftの維持性を一層向上させることができる。
By satisfying at least the above-mentioned feature (1), the maintainability of the tumble flow Ft can be enhanced. In addition to this, by satisfying the feature (2), the maintainability of the tumble flow Ft can be further improved. Further, after satisfying the features (1) and (2), as in the feature (3), the total surface area S1 of the
図10(B)は、平面55が「連続的な平面」ではない場合の、燃焼室6におけるタンブル流Ftの流動を模式的に示す図である。平面55が「連続的な平面」ではない典型例は、平面55にキャビティ59が形成されているケースであり、図10(B)はその態様を示している。キャビティ59は、平面55のセンター領域を椀状に凹没させた部分である。この場合、表面積S1は小さくなり、上記特徴(1)~(3)を満たすことが難しくなる。また、タンブル流Ftの流動がキャビティ59に阻害される。すなわち、タンブル流Ftの一部が、キャビティ59の窪みに入り込む派生流動Ft4となる。派生流動Ft4はキャビティ59の壁面に衝突し、消失する。従って、派生流動Ft4はロスとなり、圧縮行程後半まで維持されるタンブル流Ftを減少させてしまう。それゆえ、平面55が「連続的な平面」であることに意義がある。
FIG. 10B is a diagram schematically showing the flow of the tumble flow Ft in the
[燃焼室構造の他の特徴について]
続いて、上記の表面積S1~S3以外の、燃焼室構造の特徴について説明する。先ず、平面55のY方向幅である横幅Lieと、山高さhとの比であるLie/hについては、圧縮比=13.5~15.5の範囲において、
2.5<Lie/h<9.0・・・(A)
の関係を満たすことが望ましい。
[About other features of the combustion chamber structure]
Subsequently, the features of the combustion chamber structure other than the above surface areas S1 to S3 will be described. First, regarding Lie / h, which is the ratio of the width Lie, which is the width in the Y direction of the
2.5 <Lie / h <9.0 ... (A)
It is desirable to satisfy the relationship of.
ペントルーフ型の燃焼室天井面6Uを備える燃焼室6では、冠面50の排気側傾斜面53及び吸気側傾斜面54の傾き角は、概ね燃焼室天井面6Uの傾き角に沿ったものとなる。このため、山高さhが平面55の横幅Lieに大きく影響する。山高さhを高くすることは、圧縮比を高くすることに繋がる。例えば燃費性能の向上を企図して山高さhを高く設定すると、横幅Lieは幅狭となる。つまり、平面55の表面積は小さくなる。この場合、たとえ燃費性能は向上しても、タンブル流Ftを圧縮行程後半まで維持し難くなる。結局、ノッキングの防止のため、エンジン出力の抑制制御を求められることになる。しかし、Lie/hを上記(A)式の範囲に設定することで、燃費性能の向上とエンジン出力の向上とを両立させることができる。この両立をより望ましくする観点から、Lie/hは、圧縮比=13.5~15.5の範囲において、
5.0<Lie/h<9.0・・・(A1)
の関係を満たすことが望ましい。
In the
5.0 <Lie / h <9.0 ... (A1)
It is desirable to satisfy the relationship of.
次に、平面55のX方向幅である前後幅Lfrと、山高さhとの比であるLfr/hについては、圧縮比=13.5~15.5の範囲において、
12.0<Lfr/h<16.0・・・(B)
の関係を満たすことが望ましい。
Next, regarding Lfr / h, which is the ratio between the front-rear width Lfr, which is the width in the X direction of the
12.0 <Lfr / h <16.0 ... (B)
It is desirable to satisfy the relationship of.
横幅Lieと同様に、山高さhを高く設定する程、前後幅Lfrは幅狭となるなり、平面55の表面積も小さくなる。従って、タンブル流Ftを圧縮行程後半まで維持し難くなり、エンジン出力の抑制が必要となる。しかし、Lfr/hを上記(B)式の範囲に設定することで、燃費性能の向上とエンジン出力の向上とを両立させることができる。この両立をより望ましくする観点から、Lfr/hは、圧縮比=13.5~15.5の範囲において、
13.5<Lfr/h<14.5・・・(B1)
の関係を満たすことが望ましい。
Similar to the horizontal width Lie, the higher the mountain height h is set, the narrower the front-rear width Lfr becomes and the smaller the surface area of the
13.5 <Lfr / h <14.5 ... (B1)
It is desirable to satisfy the relationship of.
ここで、平面55の前後幅Lfrは、横幅Lieよりも大きいことが望ましい。図2に模式的に示したように、タンブル流Ftは、吸気ポート9から燃焼室6に導入され、シリンダ2のEX側内壁面で折り返し、平面55上を通ってIN側へ向かう。仮に、前後幅Lfrが横幅Lieよりも小さい平面55であると、冠面50の+X側及び-X側の端部には平面が存在しないことになる。この場合、+X側及び-X側の端部においてタンブル流Ftがガイドされ難くなり、流動ロスが生じてしまう。一方、前後幅Lfrが横幅Lieよりも大きい平面55とすることで、+X側及び-X側の端部においてもタンブル流Ftをガイドできるようになり、タンブル流Ftの維持性を高めることができる。
Here, it is desirable that the front-rear width Lfr of the
平面55と排気側傾斜面53とがなす角である排気側傾斜面角度Exd、平面55の表面積S1、及び山高さhの関係を示す(Exd×S1)/hについては、圧縮比=13.5~15.5の範囲において、
5000<(Exd×S1)/h<18000・・・(C)
の関係を満たすことが望ましい。
The compression ratio = 13. In the range of 5 to 15.5
5000 <(Exd × S1) / h <18000 ... (C)
It is desirable to satisfy the relationship of.
タンブル流Ftは、上述のような流動を行うことから、排気側傾斜面角度Exdが小さい程、排気側傾斜面53と平面55との境界部分でタンブル流Ftの流動が変更されたり、排気側傾斜面53に衝突したりする程度を抑制することができる。しかし、山高さhをある程度の高さに設定しないと、圧縮比を高くすることができない。山高さhを高くし、且つ、平面の表面積を稼ぐには、排気側傾斜面角度Exdを大きくする必要がある。これらの相反する要請を考慮し、高圧縮比化とタンブル流Ftの維持とを両立させるには、(Exd×S1)/hを上記(C)式の範囲に設定すれば良い。この両立をより望ましくする観点から、(Exd×S1)/hは、圧縮比=13.5~15.5の範囲において、
7000<(Exd×S1)/h<12000・・・(C1)
の関係を満たすことが望ましい。
Since the tumble flow Ft flows as described above, the smaller the exhaust side inclined surface angle Exd, the more the flow of the tumble flow Ft is changed at the boundary between the exhaust side inclined
7000 <(Exd × S1) / h <12000 ... (C1)
It is desirable to satisfy the relationship of.
次に、平面55を有する冠面50で区画される燃焼室6において、エンジン本体1の排気量が異なっていても、燃焼室6内に同等の筒内流動を形成できる形状的工夫を示す。図3に示すように、スワール弁17で第2吸気ポート9Bにおける吸気の流動を規制することで、燃焼室6内の筒内流動として横渦であるスワール流Fsが形成される。本実施形態ではスワール流Fsは、タンブル流Ftとミックスされた斜めスワール流となる。
Next, in the
エンジン本体1の排気量が異なると、ボア径Lb及びストロークLs(図2)も異なるようになる。なお、ボア径Lbは、シリンダ2の内径であって、ピストン5の直径に略相当する長さである。ストロークLsは、TDC(上死点)~BDC(下死点)間にピストン5がZ方向に移動する長さである。スワール流Fsは、エンジン排気量が異なると、エンジン回転数や負荷が同じでも、その流動が変化する。このため、例えば燃焼シミュレーション等において、スワール流Fsの流動に応じたキャリブレーションが排気量毎に必要となり、これがエンジン開発のネックになっている。
When the displacement of the
スワール流Fsの流動は、山高さhとピストン5のストロークLsとの関係に大きく影響を受ける。エンジン排気量が異なっていても、スワール流Fsの流動を同等とし、同一エンジン回転数及び同一負荷で同等の燃焼を燃焼室6で実現させる観点から、山高さhとストロークLsとの比であるh/Lsについては、圧縮比=13.5~15.5の範囲において、
0.045<h/Ls<0.065・・・(D)
の関係を満たすことが望ましい。
The flow of the swirl flow Fs is greatly affected by the relationship between the mountain height h and the stroke Ls of the
0.045 <h / Ls <0.065 ... (D)
It is desirable to satisfy the relationship of.
山高さhが高くストロークLsが小さい場合、ピストン5の冠面50の隆起部(排気側傾斜面53、吸気側傾斜面54及び平面55)にスワール流Fsが衝突し易くなり、スワール流Fsが減衰する。一方、山高さhが低くストロークLsが大きい場合、シリンダ2の内壁面にスワール流Fsが接触する距離が長くなり、やはりスワール流Fsが減衰する要因となる。しかし、h/Lsを上記(D)式の範囲に設定することで、山高さhが高いことに起因するスワール流Fsの減衰と、ストロークLsが大きいことに起因するスワール流Fsの減衰とを同等にすることができる。従って、エンジン排気量が異なる場合でも、燃焼室6内に同等のスワール流Fsを形成させ、同等の燃焼を燃焼室6で実現させることができる。
When the mountain height h is high and the stroke Ls is small, the swirl flow Fs easily collides with the raised portion (exhaust side inclined
また、スワール流Fsの流動は、山高さhとボア径Lbとの関係にも大きく影響を受ける。エンジン排気量が異なっていても、スワール流Fsの流動を同等とし、同一エンジン回転数及び同一負荷で同等の燃焼を燃焼室6で実現させる観点から、山高さhとボア径Lbとの比であるh/Lbについては、圧縮比=13.5~15.5の範囲において、
0.055<h/Lb<0.075・・・(E)
の関係を満たすことが望ましい。
Further, the flow of the swirl flow Fs is greatly affected by the relationship between the mountain height h and the bore diameter Lb. Even if the engine displacement is different, the ratio of the mountain height h and the bore diameter Lb is from the viewpoint of achieving the same combustion in the
0.055 <h / Lb <0.075 ... (E)
It is desirable to satisfy the relationship of.
山高さhが高くボア径Lbが小さい場合、ピストン5の冠面50の隆起部にスワール流Fsが衝突し易くなり、スワール流Fsが減衰する。一方、山高さhが低くボア径Lbが大きい場合、シリンダ2の内壁面にスワール流Fsが接触する距離が長くなり、やはりスワール流Fsが減衰する要因となる。しかし、h/Lbを上記(E)式の範囲に設定することで、山高さhが高いことに起因するスワール流Fsの減衰と、ボア径Lbが大きいことに起因するスワール流Fsの減衰とを同等にすることができる。従って、エンジン排気量が異なる場合でも、燃焼室6内に同等のスワール流Fsを形成させ、同等の燃焼を燃焼室6で実現させることができる。
When the mountain height h is high and the bore diameter Lb is small, the swirl flow Fs easily collides with the raised portion of the
[冠面設計の実施例及び比較例]
図11~図13は、本発明の実施例1~5及び比較例に係るピストン5の冠面50の構造及びパラメータを示す表形式の図である。ここでは、排気量の異なるエンジンに適用されるピストン5を例示している。実施例1~5及び比較例のピストン5は排気量=1.5リットル、実施例6は排気量=2.0リットル、実施例7は排気量=2.5リットルである。
[Examples and comparative examples of crown surface design]
11 to 13 are tabular views showing the structure and parameters of the
図11~図13の各例について、冠面50の外観斜視図及び平面図が示されている。また、平面55、リセス間平面56、吸気側傾斜面54及び排気側傾斜面53の位置と表面積の値とがそれぞれ示されている。排気側傾斜面53については、各部の表面積(リセス部531とリセス間部532、場合によってはリセス下部533の表面積)も記載されている。さらに、吸気側傾斜面54の表面積と排気側傾斜面53の表面積との加算値が、「傾斜面表面積の総和」として示されている。
For each example of FIGS. 11 to 13, an external perspective view and a plan view of the
各例について、乱流エネルギーの解析値に基づく乱流エネルギー比(乱流E比)が示されている。前記乱流エネルギーの解析値は、ピストン5が圧縮上死点にあるときの筒内流動(タンブル流Ft)が保有する乱流エネルギーを、専用のソフトウェア(株式会社IDAJ、ソフト名:CONVERGE)を用いた解析演算にて導出したものである。乱流E比は、図13の「比較例」について得られた乱流エネルギーの解析値を「1」としたときの、実施例1~5の乱流エネルギーの解析値の比である。また、各例についての圧縮比も示している。
For each example, the turbulent energy ratio (turbulent E ratio) based on the analysis value of the turbulent energy is shown. The analysis value of the turbulent energy is the turbulent energy possessed by the in-cylinder flow (tumble flow Ft) when the
実施例1~5のいずれの平面55も「連続的な平面」であって、キャビティは形成されていない。一方、比較例は、冠面50の径方向中心領域にキャビティ59を有している。また、実施例1~5のいずれも、平面55の排気側にリセス間平面56が配置されているが、比較例にはこれに相当する平面は具備されていない。
Each of the
実施例1~5は、いずれも平面55及びリセス間平面56の合算表面積が、排気側傾斜面53の表面積及び吸気側傾斜面54の表面積の各々よりも大きく、且つ、「傾斜面表面積の総和」よりも大きい例である。実施例1~5では、平面55及びリセス間平面56の合算表面積は、概ね排気側傾斜面53の表面積の2.5~5倍程度の大きさを、吸気側傾斜面54の表面積の2.5~4.1倍程度の大きさを、「傾斜面表面積の総和」の1.3~2.2倍程度の大きさを、各々有している。比較例は、平面55の表面積が排気側傾斜面53の表面積及び吸気側傾斜面54の表面積のいずれよりも小さい例である。
In Examples 1 to 5, the total surface area of the
実施例1~5のいずれの乱流E比も、比較例の乱流E比よりも大きいことが判る。ここでは、実施例1~5の乱流E比は、比較例の乱流E比よりも50%以上も大きな値が得られている。これらの結果から、実施例1~5においては、タンブル流Ftの維持性が高められ、タンブル流Ftの多くを圧縮行程後半で崩壊させることに成功したと言える。従って、実施例1~5によれば、圧縮行程後半で高い乱流エネルギーを生成させ、燃焼速度を速めることができる。 It can be seen that the turbulent flow E ratio of any of Examples 1 to 5 is larger than the turbulent flow E ratio of the comparative example. Here, the turbulent flow E ratio of Examples 1 to 5 is obtained to be 50% or more larger than the turbulent flow E ratio of the comparative example. From these results, it can be said that in Examples 1 to 5, the maintainability of the tumble flow Ft was enhanced, and most of the tumble flow Ft was successfully destroyed in the latter half of the compression stroke. Therefore, according to Examples 1 to 5, high turbulent energy can be generated in the latter half of the compression stroke, and the combustion speed can be increased.
[作用効果]
以上説明した本実施形態に係るエンジンの燃焼室構造によれば、次のような作用効果を奏する。先ず、冠面50には連続的な平面55(第1平面)が形成されているので、タンブル流Ftをキャビティ等の窪みで阻害することなく、平面55に沿って流すことができる。また、排気側傾斜面53の一対のリセス部531間にはリセス間平面56(第2平面)が配置されているので、当該リセス間平面56にてタンブル流Ftをガイドすることができる。このため、一対のリセス部531間において排気側傾斜面53と平面55との境界部分にタンブル流Ftが衝突して弱体化することを抑制できる。
[Action effect]
According to the combustion chamber structure of the engine according to the present embodiment described above, the following functions and effects are obtained. First, since a continuous plane 55 (first plane) is formed on the
図14を参照して、上述の利点につき説明を加える。図14(A)は、冠面50にリセス間平面56が備えられている場合のタンブル流を示している。ここでは、リセス間平面56が平面55から-Y方向に延び出している冠面50のX方向中央領域を流れる中央タンブル流FtCと、この中央タンブル流FtCの-X側及び+X側を各々流れる側方タンブル流FtSとを示している。
With reference to FIG. 14, the above advantages will be described. FIG. 14 (A) shows a tumble flow when the
図14(A)に示すように、+YZ方向から-YZ方向に流入する中央タンブル流FtCは、冠面50上において+Y方向に折り返す。この際、中央タンブル流FtCは、リセス間平面56及び平面55に沿って順次流動する。中央タンブル流FtCが流れる冠面50のX方向中央領域において、平面55の-Y側端縁がリセス間平面56の形成によって-Y方向に延長されている。このため、中央タンブル流FtCは排気側傾斜面53乃至は排気側傾斜面53と平面55との境界部分に衝突し難くなる。従って、中央タンブル流FtCに対する冠面50の抵抗は小さくなり、中央タンブル流FtCは乱れたり、弱体化したりし難くなる。それゆえ、中央タンブル流FtCが両側を流れる側方タンブル流FtSを阻害することはなく、側方タンブル流FtSの維持性も阻害されない。
As shown in FIG. 14A, the central tumble flow FtC flowing from the + YZ direction to the −YZ direction is folded back in the + Y direction on the
図14(B)は、冠面50にリセス間平面56が備えられていない場合の、中央タンブル流FtCの流動を模式的に示す図である。リセス間平面56が存在しないと、中央タンブル流FtCは、排気側傾斜面53と平面55との境界部501に衝突し易くなる。前記衝突が生じると、一部の流動FtC1は中央タンブル流FtCの本来の流動経路を流れるが、+X側に経路が変わる流動FtC2、-X側に経路が変わる流動FtC3などが生じる。この場合、中央タンブル流FtC自体が弱体化すると共に、流動FtC2、FtC3が側方タンブル流FtSに衝突して、側方タンブル流FtSをも弱体化させる。従って、タンブル流Ftの維持性が低下してしまう。
FIG. 14B is a diagram schematically showing the flow of the central tumble flow FtC when the
以上の通り、平面55及びリセス間平面56が冠面50に形成されることで、タンブル流Ftの維持性を高めることができる。従って、タンブル流Ftを圧縮行程後半まで維持させた上で崩壊させ、高い乱流エネルギーを発生させることで、燃焼速度を速めることが可能となる。これにより、ノッキングの要因となる自己着火の発生前に、燃焼室6での混合気の燃焼を完了させることができる。そして、ノッキングを抑制できることから、燃焼重心を遅角する等のエンジン出力を抑制するような制御を回避できる。また、その結果として高圧縮比が達成可能となる。
As described above, by forming the
また、火炎伝播燃焼を実現させる点火プラグ16が、冠面50の平面55に対向する燃焼室天井面6Uに配置されている。本実施形態では、燃焼室6の中心(シリンダ軸AX上)に配置されている。タンブル流Ftが弱体化されることなく圧縮された吸気は、平面55に対向する位置において乱流エネルギーが高い状態となる。このような位置に点火プラグ16が配置されることで、火炎伝播燃焼の燃焼速度を速めることができる。
Further, a
さらに、インジェクタ15は、燃焼室6の吸気側に配設されている。これにより、インジェクタ15から噴霧された燃料をタンブル流Ftに乗せ易くなり、均質な混合気を燃焼室6内に形成させることができる。
Further, the
[変形例]
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は種々の変形実施形態を取ることができる。図15は、本発明の変形例に係るピストンの冠面50Aの平面図である。この変形例では、冠面50Aに、平面55及びリセス間平面56に加えて、吸気側リセス間平面56A(第3平面)が備えられている例を示す。
[Modification example]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention can take various modified embodiments. FIG. 15 is a plan view of the
吸気側傾斜面54Aには、二つの吸気ポート9A、9B(図3)に各々配設される吸気弁11との干渉を避ける一対の吸気リセス部541と、これら吸気リセス部541間の+Y寄りの位置に配置された吸気リセス間部542とが形成されている。吸気側リセス間平面56Aは、一対の吸気リセス部541に配置され、平面55と同一平面内で連続する平面である。吸気側リセス間平面56Aは、平面55の+Y側端縁であるIN端縁553から+Y側に延び出し、吸気リセス間部542の上端に連なる平面である。この変形例によれば、吸気側リセス間平面56Aに沿ってタンブル流Ftを燃焼室6の上方へ案内することができる。つまり、タンブル流Ftが吸気側傾斜面54Aに沿って流れ、シリンダ2の吸気側内壁面に衝突して弱体化することを抑止できる。
On the intake side inclined
1 エンジン本体
11 吸気弁
12 排気弁
15 インジェクタ(燃料噴射部)
16 点火プラグ(点火部)
2 シリンダ
5 ピストン
50 冠面
51 排気側底部
52 吸気側底部
53 排気側傾斜面
54 吸気側傾斜面
55 平面(第1平面)
56 リセス間平面(第2平面)
56A 吸気側リセス間平面56A(第3平面)
6 燃焼室
6U 燃焼室天井面(ペントルーフ型の天井面)
9 吸気ポート
10 排気ポート
AX シリンダ軸
Fs スワール流
Ft タンブル流
1
16 Spark plug (ignition part)
2
56 Recess plane (second plane)
56A Intake
6
9
Claims (6)
前記天井面には、前記燃焼室に吸気を供給する二つの吸気ポートの開口と、前記燃焼室から排気を排出する二つの排気ポートの開口とが形成され、前記吸気ポートが配設される側を吸気側、前記排気ポートが配設される側を排気側とするとき、
前記冠面は、
当該冠面の前記排気側の端縁付近に配置された排気側底部、及び前記吸気側の端縁付近に配置された吸気側底部と、
前記排気側底部から前記冠面の中央部に向けて上昇する傾斜面であって、前記二つの排気ポートに各々配設される排気弁との干渉を避ける一対のリセス部を備えた排気側傾斜面と、
前記吸気側底部から前記冠面の中央部に向けて上昇する吸気側傾斜面と、
前記排気側傾斜面の上端と前記吸気側傾斜面の上端との間に連続的に設けられ、前記冠面の中央部において前記シリンダの軸方向と直交する方向に延びる第1平面と、
前記排気側傾斜面の前記一対のリセス部間に配置され、前記第1平面と同一平面内で連続する第2平面と、を備えることを特徴とするエンジンの燃焼室構造。 A combustion chamber structure of an engine including a combustion chamber partitioned by a crown surface of a piston, an inner wall surface of a cylinder in which the piston is slidably housed, and a pent-roof type ceiling surface formed on a cylinder head. hand,
On the ceiling surface, an opening of two intake ports for supplying intake air to the combustion chamber and an opening of two exhaust ports for discharging exhaust gas from the combustion chamber are formed, and the side on which the intake port is arranged. Is the intake side, and the side on which the exhaust port is arranged is the exhaust side.
The crown surface is
An exhaust side bottom portion arranged near the exhaust side edge of the crown surface, and an intake side bottom portion arranged near the intake side edge.
An inclined surface that rises from the bottom of the exhaust side toward the center of the crown surface, and has an exhaust side inclination provided with a pair of recess portions that avoid interference with the exhaust valves arranged in the two exhaust ports. Face and
An intake-side inclined surface that rises from the intake-side bottom to the center of the crown surface,
A first plane that is continuously provided between the upper end of the exhaust side inclined surface and the upper end of the intake side inclined surface and extends in a direction orthogonal to the axial direction of the cylinder at the central portion of the crown surface.
A combustion chamber structure of an engine, which is arranged between the pair of recess portions of the exhaust side inclined surface and includes a second plane which is continuous in the same plane as the first plane.
前記吸気側から前記排気側へ向かう方向を第1方向とするとき、前記第2平面は、前記第1平面の前記排気側の側辺から前記第1方向に延び出すように形成され、
前記第2平面の延び出し長さは、前記冠面の上面視で、前記リセス部の前記第1方向の幅の少なくとも1/4以上の長さに設定されている、エンジンの燃焼室構造。 In the combustion chamber structure of the engine according to claim 1,
When the direction from the intake side to the exhaust side is the first direction, the second plane is formed so as to extend in the first direction from the side side of the first plane on the exhaust side.
The extension length of the second plane is set to a length of at least 1/4 or more of the width of the recess portion in the first direction in the top view of the crown surface, the combustion chamber structure of the engine.
前記第1平面に対向する前記天井面には、前記燃焼室内において火炎伝播燃焼を実現させる点火部が配置されている、エンジンの燃焼室構造。 In the combustion chamber structure of the engine according to claim 1 or 2.
An engine combustion chamber structure in which an ignition unit that realizes flame propagation combustion is arranged in the combustion chamber on the ceiling surface facing the first plane.
前記燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射部が、前記燃焼室の前記吸気側に配設されている、エンジンの燃焼室構造。 In the combustion chamber structure of the engine according to any one of claims 1 to 3.
A combustion chamber structure of an engine in which a fuel injection unit that injects fuel into the combustion chamber is arranged on the intake side of the combustion chamber.
前記吸気側傾斜面は、前記二つの吸気ポートに各々配設される吸気弁との干渉を避ける一対の吸気リセス部を備え、
前記吸気側傾斜面の前記一対の吸気リセス部間に配置され、前記第1平面と同一平面内で連続する第3平面をさらに備える、エンジンの燃焼室構造。 In the combustion chamber structure of the engine according to any one of claims 1 to 4.
The intake side inclined surface includes a pair of intake recess portions that avoid interference with intake valves arranged in the two intake ports, respectively.
A combustion chamber structure of an engine which is arranged between the pair of intake recess portions of the intake side inclined surface and further includes a third plane which is continuous in the same plane as the first plane.
前記シリンダの幾何学的圧縮比が13.5以上15.5以下の範囲内に設定されている、エンジンの燃焼室構造。
In the combustion chamber structure of the engine according to any one of claims 1 to 5.
The combustion chamber structure of an engine in which the geometric compression ratio of the cylinder is set within the range of 13.5 or more and 15.5 or less.
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